F型小麦雄性不育系和SQ-1诱导的不育植株花粉形态电镜扫描观察

2021-12-17任文斌吴翠翠谢三刚

作物杂志 2021年6期

任文斌王倩吴翠翠谢三刚

（山西农业大学（山西省农业科学院）棉花研究所，044000，山西运城）

杂种优势的利用是提高作物产量和品质的主要途径，在玉米、大豆、水稻、油菜等作物上已经被广泛应用[1-4]。我国杂交小麦研究从 20世纪 50年代开始至今约有70年历史，取得了许多重要研究成果，但杂交小麦在大面积推广应用方面还面临巨大困难[5-6]。杂交小麦的研究主要有“三系法”、“两系法”和“化学杀雄法”。在以“三系法”为主的细胞质雄性不育系应用方面，T型雄性不育系恢复源少，K和V型雄性不育系及其测交后代容易产生单倍体，恢复源少，恢复性复杂，杂种优势不明显[7-8]；化学杀雄法受到化学杀雄剂生产、花药敏感性及强优势杂交组合较少等因素制约[9-10]，难以大面积应用。光温敏两系法（BNS型和BS型）不育系的稳定性受到光照和温度影响，在年度间变化较大，制种纯度难以保障。这些不利因素制约了杂交小麦的发展[11-12]。我国小麦杂种优势利用仍处于初级阶段，还需要继续研究探索。

许多学者从形态结构、细胞学、基因组学等方面对T、K、V、BNS和BS型等小麦雄性不育系进行了大量研究[13]。F型小麦雄性不育系作为运城蓝红杂交小麦研究中心创制的新型细胞质雄性不育系，具有旗叶披散、高感白粉病、含有显性矮秆基因[14]和恢复源广等特点，已从农艺性状、细胞学、遗传机制、杂种优势利用等方面对其进行了研究。利用化学杀雄剂SQ-1诱导小麦雄性不育，其持续时间长、杀雄彻底、无环境污染，且杀雄率达95%以上，已在小麦杂种优势利用中被广泛应用[15]。但关于F型不育系和SQ-1诱导的不育植株花粉粒形态方面研究较少。本试验通过对正常发育、F型不育系以及SQ-1化学杀雄诱导的不育株的花粉粒进行电镜扫描，观察花粉粒大小、形态、萌发孔形状等特征，揭示其在发育过程中的败育特性，为两者在花粉粒不育特征方面提供补充。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦雄性不育系 FA37-1、FA99-2和FA128-2由运城蓝红杂交小麦研究中心提供。小麦品种舜麦1718和晋麦84由山西农业大学（山西省农业科学院）棉花研究所提供。SQ-1由中国农业大学提供。小麦于2019年10月种植在山西省农业科学院棉花研究所杨包农场。

1.2 试验方法

1.2.1 花粉的采集及测量在上午8:00-10:00，通过田间观察，选取中部有 1～2朵小穗开花的麦穗，在小穗中挑选2个未开花的成熟花药（颜色为浅黄色），解剖获得正常花粉粒。在舜麦1718和晋麦84旗叶伸长为倒二叶的1/2时，按4.0kg/hm2喷洒SQ-1。抽穗后7d左右，在上午8:00-10:00，通过田间观察，选取中部1～2个小穗开颖的麦穗，在小穗中选取2个成熟的花药，解剖获得SQ-1诱导花粉粒。用同样方法获取F型不育系的花药。选取不重复的花粉 20粒，测量花粉粒的极轴长、赤道轴长、萌发孔长和宽。

1.2.2 花粉电镜扫描观察将采集到的花粉粒分别放入FAA固定液（100mL体系：38%甲醛5mL，冰醋酸5mL，50%酒精90mL）中固定24h。用蒸馏水清洗3次，每次30min。再分别用50%、70%、80%和90%乙醇进行脱水，每次15min。之后用100%乙醇脱水 4次，每次15min。将样品装在样品笼内，使用CO2临界点干燥法进行干燥。花粉粘在样品台上，用EIKO离子溅射仪在其表面进行真空喷金镀膜处理，用Hitachi S530型电镜进行扫描观察和拍照。

1.3 数据处理

利用电镜增配联机图像处理分析系统采集图像。利用Excel和SPSS 18.0软件进行数据统计分析[16]，采用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 花粉粒大小比较

由表1可知，正常发育、SQ-1诱导和F型不育系花粉粒大小有较大差异。其中正常发育花粉粒大小一般为（65.02±5.81）μm×（50.13±4.16）μm，SQ-1诱导的舜麦 1718花粉粒大小约为（46.53±3.95）μm×（40.40±3.18）μm，而F型不育系FA99-2花粉粒大小约（56.93±5.12）μm×（47.44±3.62）μm，表现为正常花粉粒＞F型不育系花粉粒＞SQ-1诱导花粉粒。且三者之间极轴长差异均达到极显著水平。而赤道轴长方面，SQ-1诱导与其他二者之间达到极显著水平。说明花粉粒的大小与育性具有一定的相关性。

表1 正常发育、F型不育系及SQ-1诱导的小麦花粉粒比较Table 1 Comparison of pollen grains of F-type male sterile lines, SQ-1 induced and normal development

2.2 花粉粒数量比较

通过解剖和粘台上观察，发现F型雄性不育系的花粉粒较少，从图1（a）、图 2（a、d）、图 3（a、d、g）比较中也可发现，F型不育系花粉粒远少于正常发育和SQ-1诱导后的花药，说明小麦雄性不育与花粉粒数量具有一定相关性。但化学杀雄并不会影响花粉粒的数量，主要影响其形态特征。

图1 正常花粉粒和萌发孔的形态特征Fig.1 The morphological characteristics of the normal pollen grains and germinal aperture

图2 SQ-1诱导的舜麦1718和晋麦84花粉粒和萌发孔形态特征Fig.2 The morphological characteristics of the pollen grains and germinal aperture of Shunmai 1718 and Jinmai 84 induced by SQ-1

图3 雄性不育系FA37-1、FA99-2和FA128-2花粉粒和萌发孔形态特征Fig.3 The morphological characteristics of the pollen grains and germinal aperture of FA37-1, FA99-2, and FA128-2 male sterile lines

2.3 花粉粒形态特征比较

正常发育的花粉粒尽管有轻微凹陷，但整体上饱满，形状规则，个别花粉粒较瘪（图1a、b）。SQ-1诱导的舜麦1718与晋麦84花粉粒全部皱扁，呈瘪三角形或不规则畸形，为典型败育性状（图2a、b、d、e）。F型不育系花粉粒瘦瘪，基本上呈皱扁三角形或不规则畸形，也为典型败育性状（图3a、b、d、e、g、h）。说明SQ-1诱导和F型不育系花粉粒生长发育不完整，容易产生畸形。

2.4 花粉萌发孔孔盖形态比较

正常花粉粒萌发孔孔盖圆润饱满挺直，紧扣在萌发孔环下面，且孔盖高于萌发孔环（图1c）。SQ-1诱导的舜麦1718花粉粒孔盖周围下陷，导致孔盖低于孔环，孔盖与孔环间距较小（图2c）。SQ-1诱导的晋麦 84花粉粒萌发孔孔盖呈周围凹陷、孔盖凸起，其高度与孔环平行的畸形形态（图2f）。F型不育系FA37-1花粉粒萌发孔孔盖凹陷，低于孔环，中间无间隙（图3c）。FA99-2和FA128-2花粉粒萌发孔孔盖凹陷，低于孔环，且孔盖与孔环间距较大（图 3f、i）。

2.5 萌发孔孔盖脱落与厚度

由图4可知，正常花粉粒有萌发孔孔盖脱落现象，且孔环边缘与孔盖接触部分在脱落后边缘清晰可见，无细胞牵连。可清晰测量出孔环的厚度约2.22μm（图4b）。说明在花粉粒中萌发孔孔盖是一个独立的细胞组织，与孔环松散结合。在花粉粒与柱头结合后，是通过孔盖脱落还是通过孔盖张开输送遗传和营养物质，还需进一步观察。

图4 正常花粉粒萌发孔孔盖脱落形态Fig.4 The cap of germinal aperture felling off morphological characteristics of the normal pollen grains

3 讨论

F型小麦雄性不育系作为新创制的不育系，对其研究目前还较浅。有研究[17-18]表明，不育系自交结实率在个别年份能够降到 5%以下，败育率达到95%以上，且易于恢复。而张思妮等[19]对花粉粒进行碘染，结果表明其主要以染败为主，败育率高达95.63%。依据赵卜等[20]对其小孢子发育的细胞学观察，认为其由单核期进入二核期后，生殖核和营养核先后降解，是雄性败育的主要原因。以上研究与本试验观察到的结果类似，F型不育系花药中的花粉粒数量较少，减少了与柱头的接触，其形态瘦瘪，呈三角形或不规则畸形，为典型败育花粉。

SQ-1诱导和F型不育系花粉粒萌发孔孔盖周围都不同程度向下凹陷，呈现不同形状的畸形孔盖，且孔盖高度一般低于孔环。F型3个不育系的孔盖特征基本相似。但SQ-1诱导的舜麦1718和晋麦84孔盖形态则完全不同，说明不同品种孔盖形态有区别。这与姚雅琴等[21]研究结果一致，其认为萌发孔孔盖的突出程度与花粉粒败育相关，孔盖与孔环接触程度与不育系恢复度有关。通过花粉粒形态、孔盖特征等基本可以判断花药的败育特性。

SQ-1是杂交小麦中广泛使用的化学杀雄剂，前人研究[22-24]表明，其对小麦具有广谱杀雄效果，不育率一般能够达到 95%以上，且不影响小麦雌蕊，这些研究更多侧重于结实率、农艺性状、杂种后代表现等。而关于化学杀雄后花粉粒的形态特征研究较少。本试验发现，化学杀雄对花粉粒数量影响较小，对花粉粒的形态特征和萌发孔孔盖突出程度影响较大，本研究为SQ-1化学杀雄后败育特性提供了有效补充。SQ-1对喷施时间要求比较严格，小麦生长发育过程中很难同时达到适宜的喷药阶段，配制的杂交种纯度难以保证。因此，尽管两者都可以作为小麦杂种优势选择的母本，但实践应用中仍有需解决的问题，距产业化发展还有较大差距。